基于MIS納米結(jié)構(gòu)的片上等離子體催化氫氣傳感器介紹

氫能源是一種零碳排放的化石燃料替代品。隨著氫經(jīng)濟(jì)的興起，推動了氫氣傳感器3A標(biāo)準(zhǔn)的制定，即Accessible（高集成度、易于使用）、Affordable（低制造及使用成本）和Appliable（高精度、快速響應(yīng)）。然而，由于氫氣具有高度易燃易爆的特性，因此及時靈敏的泄漏檢測至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，暨南大學(xué)陳沁教授團(tuán)隊聯(lián)合英國格拉斯哥大學(xué)David R.S. Cumming教授團(tuán)隊提出一種基于金屬-絕緣層-半導(dǎo)體（MIS）納米結(jié)構(gòu)的片上等離子體催化氫氣傳感器，可在室溫和零偏置下工作，其濃度檢測限低至1 ppm。

與其他非等離子體器件相比，該器件的傳感信號增強(qiáng)了3個數(shù)量級，響應(yīng)速度提高了1個數(shù)量級，該性能優(yōu)勢歸功于氫誘導(dǎo)界面偶極電荷層和等離子體熱電子調(diào)制光電響應(yīng)。這種將等離子體光學(xué)、光電檢測和光催化集于一體的片上集成技術(shù)，為下一代光學(xué)氣體傳感器提供了非常有前景的策略，能夠更好地滿足高靈敏度、低時延、低成本、高便攜性和靈活性的需求。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Light: Science & Applications期刊。

用于揭示氫分子和熱電子之間相互作用的等離子體催化MIS結(jié)構(gòu)

等離子體傳感是一種新興技術(shù)，具有滿足氫氣傳感器3A標(biāo)準(zhǔn)的潛力。由于金屬表面強(qiáng)烈的局域電磁場，表面等離子體共振（SPR）和被測物質(zhì)的相互作用會導(dǎo)致共振波長、振幅、相位和偏振產(chǎn)生顯著變化，表現(xiàn)出超高的靈敏度。此外，低成本的納米制備技術(shù)，例如納米壓印、納米球光刻和化學(xué)合成已被廣泛用于制造各種等離子體傳感結(jié)構(gòu)。然而，盡管傳感器芯片本身結(jié)構(gòu)緊湊，由于缺乏原位光電轉(zhuǎn)換能力，等離子體傳感器嚴(yán)重依賴于光譜儀和BioCore生物分析傳感系統(tǒng)等復(fù)雜、昂貴的儀器，限制了其在現(xiàn)場和便攜式裝置上的應(yīng)用。

針對這一問題，陳沁教授等研究人員提出一種由鉑-硅納米結(jié)構(gòu)組成的新型氫傳感系統(tǒng)，具有等離子體傳感、光電檢測和光催化三重功能。在等離子體激元激發(fā)下，氫氣在MIS結(jié)構(gòu)上的注入會導(dǎo)致出現(xiàn)一種與惰性氣體中測量結(jié)果顯著不同的異常光電I-V特性。在I-V曲線中觀察到的S形扭結(jié)表明，由于扭結(jié)附近形成了偶極電荷層，氫分子對熱電子收集過程產(chǎn)生了抑制作用?？紤]到界面偶極子和量子隧穿過程，研究人員建立了耦合光電模擬模型，以揭示其背后的機(jī)制。結(jié)果表明，界面偶極電荷的存在是光電扭結(jié)效應(yīng)的主要決定因素，因?yàn)樗T導(dǎo)了一個強(qiáng)大的阻擋場，阻止了光產(chǎn)生的熱電子隧穿氧化物層。這個研究結(jié)果為揭示分子、等離子體激元和催化劑之間相互作用的復(fù)雜機(jī)制提供了重要見解。

依賴于氫介導(dǎo)的扭結(jié)效應(yīng)，等離子體催化MIS結(jié)構(gòu)可用于實(shí)現(xiàn)具有魯棒性的光電氫氣傳感器。與傳統(tǒng)的基于MIS或金屬-半導(dǎo)體（MS）結(jié)構(gòu)的電化學(xué)氣體傳感器相比，該光電傳感策略具有以下優(yōu)勢：（1）金屬催化劑中熱電子動力學(xué)的參與可以促進(jìn)表面氫分子的解離反應(yīng)，從而使器件獲得較高的響應(yīng)速度；（2）基于氫調(diào)控光電轉(zhuǎn)換，循環(huán)測試時的電流偏移可比暗操作模式高出約1500倍；（3）所提出的傳感器裝置在室溫和零偏置條件下運(yùn)行，能夠?qū)O低的氫含量（ppm級別）提供可重復(fù)、靈敏的響應(yīng)，且無需電加熱和外部電壓偏置。

使用量子隧穿模型定量描述氫誘導(dǎo)的S扭結(jié)效應(yīng)

等離子體催化MIS結(jié)構(gòu)器件的氫傳感性能

這項(xiàng)研究提出的等離子體催化MIS納米結(jié)構(gòu)策略，有望為便攜式和現(xiàn)場檢測提供具有高靈敏度、高集成度和低成本的3A標(biāo)準(zhǔn)氣體傳感平臺。

通過將等離子體熱載流子動力學(xué)與界面電結(jié)構(gòu)催化反應(yīng)相結(jié)合，不僅為基礎(chǔ)科學(xué)提供了豐富的研究領(lǐng)域，還對開發(fā)更高效的光催化和生化傳感策略具有重大的實(shí)際意義。

審核編輯：劉清